Energía, trabajo y calor
El desarrollo de la termodinámica no se
llevó a cabo hasta que se diferenciaron y clarificaron los conceptos de energía,
trabajo y calor.
Energía
La energía se conoce como la capacidad de un sistema para producir
trabajo. Cualquier sistema químico, a una presión y temperatura dadas, posee:
una cantidad de energía que es medible macroscópicamente, y una cantidad de energía
almacenada en su interior debido a su composición, que se denomina energía interna.
La unidad de energía más conocida es la
caloría (cal) y corresponde a la
cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1°C.
Como esta cantidad de energía es muy pequeña se emplea la kilocaloría (kcal), considerando que 1 kcal equivale a 1000 cal.
Sin embargo, el Sistema Internacional
(S.I) determina que la unidad de la energía es el Joule (J).
La energía total de un sistema es la suma de
todas las energías cinéticas (Ec) y
energías potenciales (Ep) de sus
partes componentes y es conocida como la energía
interna del sistema (U), que corresponde a una función de estado. Debido a
que los sistemas están formados por gran cantidad de átomos, iones o moléculas,
es difícil poder medir la cantidad y variedad de movimientos e interacciones
que poseen, ni la energía exacta del sistema. Por lo tanto, lo que sí se puede
medir es los cambios de energía interna que acompañan los procesos físicos y químicos,
definiéndola como la diferencia entre la energía interna del sistema al término
del proceso y la que tenía al principio:
U
= U (final) - U ( inicial)
Las unidades de la energía interna, así
como otras cantidades termodinámicas, están compuestas por tres partes; un
número, una unidad que da la magnitud del cambio y un signo que da la
dirección. De esta manera queda de manifiesto que la energía que un sistema
pierda deberá ser ganada por el entorno y viceversa:
En una reacción química, el estado
inicial del sistema se refiere a los reactivos y el estado final, a los
productos:
Cuando el contenido de energía de los
productos es menor que el de los reactivos, la energía interna para el proceso
es negativo. Esto implica que la energía interna de los reactivos es mayor que
la del producto:
Trabajo
Usualmente cuando se habla de trabajo,
se entiende que debemos utilizar nuestros músculos gastando una gran cantidad
de energía o hacer un cierto esfuerzo para realizar una tarea. Sin embargo, en
términos químicos el trabajo se relaciona con la cantidad de fuerza por la
distancia de esa fuerza:
W = F • d
El trabajo (W) se calcula multiplicando la fuerza (F) ejercida sobre el cuerpo
por la distancia (d) que este
recorre.
La unidad de medida en el Sistema
Internacional de Unidades es el joule
(J) y se define como el trabajo realizado con la fuerza de 1 newton (N) a lo largo de la distancia
de 1 metro.
Diferencias entre calor y temperatura
Durante el verano la temperatura es
mucho mayor que en el invierno, por eso se suele decir que en esta época
“tenemos calor”, sin embargo, desde el punto de vista termodinámico esta idea
no es correcta.
Lo anterior se debe, a que el calor
(q) es la energía que se transfiere
de un sistema a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura, hasta
que se alcanza el equilibrio térmico,
es decir, cuando ambos sistemas alcanzan la misma temperatura. La temperatura, por otro lado, es la
medida de la energía cinética de las moléculas de un sistema. Cuando un sistema
recibe calor, aumenta la velocidad con que se mueven dichas moléculas. A mayor
energía cinética mayor será la temperatura, y viceversa.
La medición del flujo de calor
se llama calorimetría y el aparato
que mide el flujo de calor, se denomina calorímetro.
Un ejemplo de un calorímetro es un termo o un recipiente rodeado de material
aislante.
La cantidad de energía que absorbe un
cuerpo, depende de su capacidad calorífica (C) definida como la cantidad de
calor necesaria para elevar su temperatura en 1 grado. De esta manera, mientras
mayor es la capacidad calorífica de un cuerpo, más calor se necesita para
producir un aumento de la temperatura.
Normalmente, la capacidad calorífica se
expresa por mol o por gramo de sustancia, sin embargo, cuando se expresa por
gramo de sustancia se le denomina calor
específico (s) y si se expresa por mol de sustancia, se denomina capacidad calorífica molar (C).
El calor específico de una sustancia se
puede determinar experimentalmente midiendo el cambio de temperatura, que
experimenta una masa conocida de la sustancia, cuando gana o pierde una
cantidad específica de calor.
Relación entre calor, el trabajo y la energía
Cualquier sistema puede intercambiar
energía con su entorno, en dos formas generales, como calor y como trabajo. La
energía interna de un sistema cambia cuando se realiza transferencia térmica en
forma de calor o trabajo. Así, la relación entre el cambio de energía interna,
calor y trabajo, está dada por la siguiente expresión, que corresponde a la primera ley de la termodinámica:
Δ U = q • w
De esto, se puede
decir que:
-
Cuando se transfiere calor del
entorno al sistema, el calor tiene signo positivo;
-
Cuando se transfiere calor del
sistema al entorno, el calor tiene un valor negativo;
-Cuando el entorno
efectúa trabajo sobre el sistema, el trabajo tiene un valor positivo;
-
y, cuando el sistema efectúa
trabajo sobre el entorno, el trabajo tiene un valor negativo.
Cuando el calor absorbido por el sistema
y el trabajo efectuado sobre el sistema son cantidades positivas, contribuyen a
aumentar el cambio de energía interna del sistema.
Cuando un sistema absorbe energía, es
decir, aumenta la energía interna, significa que el entorno realiza trabajo
sobre el sistema y se transfiere energía hacia el sistema en forma de calor,
proceso conocido como endotérmico.
Por otra parte, cuando el sistema ejerce trabajo sobre el entorno y entrega
calor, el proceso habrá liberado energía al entorno, convirtiéndose en un proceso exotérmico.
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